空调房间气流组织数值模拟和优化

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  摘要:气流组织的形式对装有空调的室内的空气品质有着决定性作用,其直接影响着房间内的温度,气流流动速度,区域温差,区域流速以及空调耗能等方面
  本文主要研究在一个特定环境内,通过改变其送风口,出风口位置,改变气流组织,从中选中最适合该房间的送风方式。
  关键词:气流组织送风方式空调系统送风口出风口射流
  中图分类号:TB657文献标识码: A
  1论著
  1.1 研究的背景和意义
  据现有调查资料表明,对于一般上班族在室内活动的时间大约为20个小时。可以看出,室内空气品质的好坏和人们的工作效率,以及健康状况成正比[1]。随着科技的发达,空调已经不再是过去仅仅提供生产,工作环境需要的工具了,而是成为了调节室内空气质量重要部分。经研究发现,气流组织的形式对装有空调的室内的空气品质有着决定性作用,其直接影响着房间内的温度,气流流动速度,区域温差,区域流速以及空调耗能等方面[2-3]。
  气流组织被空调系统的送风口送入房间里,与房间内的原有气流发生热量交换后,从房间出风口流出[4].我们研究气流组织,就是为了合理的安排室内的气流结构,使室内气流的温度,速度,湿度等方面满足人们的需要[5]。影响气流组织的因素有很多,包括进风口/送风口的形状和位置,送风气流组织的形式,热源的大小和位置安排,以及房间的几何因素等[6]。由于影响气流组织的因素有很多,我们现在只能用实验的经验公式来验证[7]。
  1.2 国内外的研究成果
  国内从上世纪四十年代就开始研究此研究气流组织和房间内温度,流速,压力等方面的关系[7]。
  在国内方面,20世纪70年代,马文航教授组织并且指导了国内首例专门正对于小空间空调系统气流组织状况,经过多次的试验和比对,获得了一定的研究成果,为以后研究小空间空调系统气流组织研究奠定了一定的基础。通过文献(1)的研究得出了不同位置的送风口,出风口在相同的送风条件下对空调房间内温度,气流速度的影响。由文献(4)可以知道通过研究NO的位置,气流组织和换气速度之间的关系。
  1974年,荷兰的Leonard Knox利用能量方程和湍流公式求解封闭二维流动方程,采用流体湍流模型模拟室内空气流动情况,对封闭的空调房间进行试验。在此试验的基础上,Milo Masson通过改变房间的尺寸比较,在相同的出/送风的条件下,不同房间的温度,气流速度的比较[6]。
  随着科技的发展,CFD技术开始广泛应用于空调房间气流组织的研究中。在上世纪七十年代时候,美国的Leonard Knox首次将CFD技术应用于空调房间气流组织的研究中。20世纪80年代,Markatos通过研究一个电影院的房间气流组织和换热问题。他运用CFD技术改进了空调的调节方式,这是首次将CFD技术运用到工程建设中[7]。2001年,Cheng Fang等人在两面墙通风的条件下,用数值模拟的方法模拟出空调房间的温度和速度情况。目前,日本和欧洲已将在CFD技术日渐成熟,可以将其技术熟练的运用在工程设计中,作为预算凭据[9]。
  在国内,1998年,周绍荣教授用CFD方法对办公室空调房间的气流组织和杂质浓度进行了预测[10]。1999年,周绍荣教授对办公室段气流进行了数值仿真,找到了造成段气流的原因[11]。2000年,赵斌教授利用CFD技术,开发了自己的软件,对百货大厦的员工办公室进行了改造[12]。2005年,周丽教授带领自己的团队,用CFD技术成功模拟出某学校学院楼实验室的温度,速度场[13]为实验室建设提出了实质性意见。
  虽然CFD计算方法大量运用于模拟试验中,但是国内外仍少有文献研究对于不同的气流组织进行详细的比较[14]。
  2 适宜空调房间的气流组织形式
  2.1 气流组织介绍
  狭义上的气流组织的解释是具有明确标明的送出口位置的气流形式。对于广义的气流组织解释是由于具体的进送风口形式所带来的不同的室内气流分布[15]。
  房间内的温度场,速度场和被送入房间的气流组织有直接关系。模拟气流组织就是优化气流形式,使合理的组织气流让空调房间达到适宜人体的舒适度和以及提高空调经济性[16]。
  2.2 本文选用的气流组织
  在实际工程中,设计师根据实际情况和需要,选用最适合的气流组织形式。根据查阅资料和给出的数值模拟情况,我选用了这四种常见的组织形式:同侧上送下回,异侧下送上回,异侧上送上回,异侧上送下回。
  3 评价标准
  评价空调的性能主要从两方面出发,分别是经济和技术。下文我将详细说明空调房间的常用的评价标准。
  3.1 技术标准
  3.1.1 不均匀系数
   不均匀系数是描述空调房间的气流组织速度场,温度场,压力场等状态的不稳定性,是评价性系数。得出该系数的方法如下:在房间内选择几个测点,分别测量和记录这些点的风速,风向温度,压力等,运用计算公式,算出不均匀系数kv和kf
  kv= (3-1)
  kf=(3-2)
   注:1)为N個点的速度算术平方值,其表达式为= (3-3)
  2)为N个点的温度算术平方值,其表达式为= (3-4)
  3)为N个点的速度方根偏差,其表达式为==(3-5)
  4)为N个点的速度偏差,其表达式为= (3-6)
  5)N为N个测试点,表示速度,t表示温度
  kv和kf的数值大小与房间内各种分布图的均匀性成反比。
  3.1.2 换气效率
   评价一个空间的换气作用的标准叫做换气效率,这个系数能间接体现气流组织的特征。其换气时间的大小取决于选用参考点的气流组织的在房间停留的时间[14]。则换气效率是换气时间与实际换气时间之比。
  其表达式为: (3-7)
  注:1)表示换热系数
  2)表示理想换热时间
  3)表示实际换热时间
  根据试验显示,只有少数几种气流组织形式其换热系数为100%,比如活塞流,单向流送风等,因此对于换热系数达到50%及其以上的送风形式,都认为是换热效率高的形式。当低于50%的情况,被认为送风形式有待优化。
  3.1.3 舒适性标准
   根据实际情况,我选用效温度ET,和吹风感[15] 作为指标。
  我们将有效温度ET的解释为将温度,湿度,压力等值综合起来的数值,用来描述人感受周围空气组织的舒适度[15]。
  吹风感的定义为气流吹到活动区的温度。其表达式为:)(3-8)
  注:I 表示空调房间内的温度
  II 表示进风口送风温度
  III 表示进风口送风速度
  3.2 经济型标准
   根据此实验给的前提,我选用热量利用系数来作为评价经济型标准。热量利用系数的定义为投入能量被利用的情况[16]。
  其定义式为:(3-9)
  注:1)表示空调房间的理想温度
  2)表示出风口温度
  3)表示送风口温度
  当=1.0时,气流流入室内和房间内的原有空气进行热量传递以后,使气流温度和房间温度相同,并有排风口排除室外。
  当>1.0时,不仅能气流温度和房间温度相同的同时,且能使排风处的温度高于空调房间内的温度,这样的经济效率是很高的。
  当<1.0时,由于气流没有和房间内原有空气进行充分的热交换,则这样经济效率低。
   3.3 适合的空调参数
  根据《空气调节》此书的规定,空调房间在此情况下,房间内的人才能感到舒适,其参数见表3-1
  表3-1 空调房间舒适性墙的参数
  
  
  
  4数值模拟过程
  4.1 模型的形成
  此次实验条件以空调房间的条件是以天津市某一办公室空调房间为研究对象,办公室长宽高,送风口尺寸为,回风口尺寸,窗户朝南,窗户尺寸为。办公室按4人办公布置,四套桌椅、计算机、打印机等办公设备,四盏荧光灯。在不改变空调房间尺寸,以及窗户,灯位置等的条件下,仅仅改变出、送风口位置来研究对房间内气流组织的变化,选出最优解。则室内的散热量见下表(4-1).
  
  
  
  4.2 数值计算
  在此实验中,将流过空调房间的气流组织看成为湍流,并建立方程。气流组织满足能量守恒方程,质量守恒方程,动量守恒方程。并用经过修正的湍流方程,为了方便计算做以下假设,
  (1)气流组织流动状态坎作为稳定流动
  (2)忽略其他部分的辐射热
  (3)忽略空调房间密封性不好的问题
  (4)由于气流组织的流速很低,则此气流可以看成为不可压缩流体,其压力不能对密度的大小产生影响
   (5)不考虑由于摩擦力等原因引起的热耗散
  5 结果分析
   分别在四种不同气流组织的安排下,分析其速度,温度分布图,并进行比较,得到最优解。
  5.1 同侧上送下回分析
  
   图 5-1 截面速度分布图
  
  
   图 5-2 截面温度分布图
  
  
  
   从5-1速度分布图可以看出,气流组织进入空调房间的送风口时,呈射流状态。且射流状态的气流范围在不断的增大。气流进入房间后,横冲向另一侧墙壁,然后直接流入工作区。由于射流的特征,发生了卷吸,因此气流再进入工作区时候,形成了漩涡。在此图中可以看出,工作区的风速在0.075m/s-0.37 m/s之间,大于0.31 m/s,则符合暖通安装规定。两个办公桌的左边明显比办公桌右边的风速强,办公桌右边工作的人感到的风力較强,这是造成速度不平均的主要原因。两个办公桌的左边的网速较大,造成办公桌的左边的温度较低,造成温度不平均。经计算后,得出的速度不平均值0.18,温度不平均值0.0021。
   从5-2图温度分布图可以看出,在此房间里,温度出现不顺畅连接。屋顶处的温度比较与地面附近温度要低。工作区的温度在295K-310K之间,符合暖通工程里的规定。经过计算,由于气流送入房间的速度远大于人活动范围,则>1.0, 此种形式经济效率是很高的。
  5.2 异侧下送上回分析
  
  
  图 5-3截面速度分布图
  
   图 5-4截面温度分布图
  
   由图5-3速度分布图可以看出,气流组织由空调系统送风设备进入空调房间时候,横冲进房间,气流呈现射流状态,且射流范围在不断扩大,其速度在不断减小,气流流进工作区,由于办公桌的位置设定,是气流受到干扰,气流流动方向开始改变,向着房顶方向运动。在人活动区域的速度为0.03 m/s-0.32 m/s之间,比暖通空调规定的速度范围稍大。但是由于送风口在接近地板处,人的脚部会感到风速较大。在人的活动范围内的温度在294K-301K之间,在暖通空调规定的范围内。由于空调的安装,其人活动区域的脚步有较大的风速,这是造成速度的不平均的主要原因。由于脚步的风速较大,则造成脚处的温度很低。造成温度不平均的。计算的温度不平均值为0.0057,速度不平均值为0.354.由5-4图,由于办公桌被看做热源,则办公桌之间的有较为密集的等温线。经计算>1.0,可以看出经济效率很高。
  
  5.3 异侧上送上回分析
  
   图 5-5 温度分布图
  
   图 5-6 温度分布图
  
  由5-5温度分布图可以看出,气流组织有送风口进入房间,横冲流进房间,在送风口附近呈射流状态。在房顶处的射流范围不断扩大,但气流速度在不断减小,其速度最小达到0.50 m/s。在人活动范围内,同样形成了漩涡。吹到人体的速度在0.032 m/s-0.29 m/s的范围内,满足暖通安装条件。由5-6图可以知道,由于此空调系统分布为上送上回式,在两个办公桌左侧形成的漩涡较为明显,则左边的风速较大,这是速度不平均的主要原因。由于办公室左边的风速较大,则温度较为另一边低,然则,温度也比较低,这是造成温度不平均的主要原因。得出速度不平均值为0.14,温度不平均值为0.0024。
  由图5-6可以知道,在人活动范围内的温度在298K-300K。符合要求。计算得出可知<1.0,因为能量不能全部被利用,因此经济效率不是很高。
  5.4 异侧上送下回分析
  
  
   图 5-7 速度分布图
  
  图 5-8温度分布图
  
   图5-7速度分布图可以看出,气流组织由送风口进入空调房间,横冲入房间,气流呈现湍流状态,在房顶处气流出现射流区域,但其速度在不断减小。最小速度达到0.35 m/s,人活动区域的风速为0.04m/s-0.35 m/s,与暖通空调中规定的范围稍有偏差.气流直冲入房间,碰壁后,在办公桌的左侧形成漩涡,有较大的风速,这是造成速度不平均的主要原因。由于此空调安装位置问题,由于办公桌的左侧流速较大,造成温度不平均。其速度不平均值为0.0062,温度不平均值0.240.由5-8温度分布图可以看出,人活动范围的温度在305K-307K的范围内,不在暖通空调规定的暖通范围内。由计算可知<1.0,因为能量不能全部被利用,因此经济效率不是很高。
  结论
  可以看出,在热量利用系数方面,同侧上送下回和异侧下送上回比较与异侧上送上回和异侧上送下回有较高的利用率。对于速度,温度不平均系数,其值越低越能体现其空调系统的安排是合理的,可以看出,同侧上送下回和异侧上送上回是相对合理的。
  参 考 文 献
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